科普：巖石三軸試驗機產(chǎn)品技術實戰(zhàn)手冊

一、引言  

在巖土工程、地質(zhì)勘探、礦山開采、水利水電、石油化工及地震科學等眾多領域，巖石材料的力學性能研究始終是工程設計與安全評估的核心環(huán)節(jié)。巖石三軸試驗機作為一種能夠模擬地下巖石在復雜應力狀態(tài)下力學行為的實驗設備，其重要性不言而喻。吉林冠騰自動化技術有限公司（以下簡稱“冠騰公司”）坐落于素有“中國試驗機工業(yè)發(fā)源地和搖籃”之稱的吉林省長春市，憑借數(shù)十年積累的設計制造經(jīng)驗，推出了以SAM-2000系列為代表的微機控制電液伺服巖石三軸試驗機，已成為國內(nèi)巖石力學試驗領域的主力設備之一。本文將從產(chǎn)品概述與核心技術、技術性能與參數(shù)指標、操作使用流程、維護保養(yǎng)體系以及注意事項與安全規(guī)范五個方面，對吉林冠騰巖石三軸試驗機進行全面系統(tǒng)的解析。  

二、產(chǎn)品概述與核心技術：精密伺服驅(qū)動下的巖石力學探針  

吉林冠騰巖石三軸試驗機屬于微機控制電液伺服型產(chǎn)品，是目前國內(nèi)功能較為齊全的巖石試驗設備之一。該系列產(chǎn)品主要涵蓋SAS系列和SAM系列兩大產(chǎn)品線，試驗力量程覆蓋8kN至2000kN乃至3000kN的寬幅范圍，能夠滿足從軟巖到硬巖、從小尺寸試樣到中等尺寸試樣的多層級試驗需求。  

該產(chǎn)品最核心的技術優(yōu)勢體現(xiàn)在三個層面：  

第一，全數(shù)字閉環(huán)測控技術。試驗機采用冠騰自主研發(fā)的全數(shù)字測控器（GTC650或GTC550）與電液伺服系統(tǒng)、計算機系統(tǒng)相結合，實現(xiàn)了試驗力（應力）、變形（軸向應變、徑向應變）、位移（壓縮率）三種方式的全閉環(huán)控制。更為關鍵的是，這三種控制方式可以在試驗過程中進行相互間無沖擊、平滑轉(zhuǎn)換，極大提升了試驗過程的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)準確性。  

第二，壓力自平衡三軸壓力室技術。壓力室采用壓力自平衡技術，使軸向試驗力與圍壓互不干涉、相互獨立。壓力室用高強度合金結構鋼制成，壓盤及傳壓活塞桿采用軸承鋼經(jīng)過熱處理及精密加工而成，確保了在高壓條件下壓力室的長期穩(wěn)定性和可靠性。壓力室放置在移動小車上，可沿軌道移動，配有轉(zhuǎn)動吊車，裝卸試樣方便，大大提升了試驗操作的便捷性和效率。  

第三，高剛度主機結構。試驗機采用四柱主機或整體框架式M型高剛度主機，主機剛度k≥10000kN/mm（部分型號可達11000kN/mm），有效保證了在加載條件下的系統(tǒng)剛性，減少了加載過程中因系統(tǒng)變形引入的測量誤差。  

在產(chǎn)品功能層面，冠騰巖石三軸試驗機除了完成常規(guī)的單軸和三軸壓縮試驗外，還可配備相應附件進行單軸蠕變試驗、剪切蠕變試驗、直剪試驗、孔隙水壓試驗（滲透性測試）、劈裂試驗、變角度剪切試驗及斷裂韌度試驗等多種試驗形式。試驗機能夠模擬高壓三軸狀態(tài)，加載系統(tǒng)三向獨立，甚至能夠模擬單向或雙向突然卸載，用于研究深部開采過程中采場圍巖的損傷演化和破裂規(guī)律。試驗機可實時顯示多達五種試驗曲線，實時采集和存儲試驗數(shù)據(jù)，自動計算試驗結果并打印試驗報告。  
 

三、技術性能與參數(shù)指標：多維數(shù)據(jù)精準捕獲的核心引擎  

吉林冠騰巖石三軸試驗機在技術參數(shù)上體現(xiàn)了高精度、寬量程、高分辨率的特征，具體指標如下：  

主機系統(tǒng)方面：主機精度達到1級，試驗機量程為82000kN，示值相對誤差為±1%，分辨率高達1/500000%FS?；钊谐?ge;100mm，測控范圍0100mm，位移示值相對誤差為±0.5%，位移分辨力達到1/200000%FSmm，位移速度范圍為0180mm/min。試驗空間凈寬為600mm，可滿足Φ50×100120mm標準試樣的安裝需求。循環(huán)加載試驗頻率可達2Hz，能夠完成一定程度的動態(tài)力學測試。  

變形測量系統(tǒng)方面：配備巖石專屬變形儀，軸向標長L0=100mm，軸向量程ΔL=6mm；徑向標徑d0=50mm，徑向量程Δd=3mm。變形儀測量范圍為0.5100FS，示值相對誤差±1%，分辨率達到1/200000%FS（即0.03μm）。同時配備LVDT式巖石引伸計，軸向量程015mm，徑向行程0~5mm，示值精度均為±0.1%。如此高的測量分辨率保證了巖石試樣在微小變形階段的精確捕捉，為彈性模量、泊松比等關鍵力學參數(shù)的精確計算提供了基礎數(shù)據(jù)。  

圍壓系統(tǒng)方面：最高圍壓力可達100MPa，有效壓力范圍為2100%FS，示值相對誤差±2%，絕對分辨力為1/180000。充液壓力范圍為0.31.0MPa，測壓元件采用液壓傳感器，測控器為GTC550或可選配EDC222。圍壓系統(tǒng)能夠穩(wěn)定控制波動范圍在±0.05MPa以內(nèi)，確保了三軸壓縮試驗中圍壓條件的精確復現(xiàn)。  

控制功能方面：試驗力控制范圍為1~99%FS，變形控制范圍為0.5~99%FS，力、變形、位移示值誤差均為±0.5%?？刂葡到y(tǒng)具備恒試驗力、恒變形、恒位移、勻試驗力速率、勻變形速率等多種控制功能，以及超載保護、油路堵塞保護、超油溫保護、試件斷裂保護等多重安全保護功能。通過按編制的巖石試驗程序，系統(tǒng)可自動控制試驗的全過程，繪制巖石試樣單軸壓縮變形、三軸壓縮變形的全過程應力—應變曲線，并測試抗壓強度、楊氏模量、泊松比、殘余變形、殘余應力、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角等性能參數(shù)。  

該設備嚴格執(zhí)行多項國家和行業(yè)標準，包括GB/T50266《工程巖體試驗方法標準》、SL264《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》、JTGE41《公路工程巖石試驗規(guī)程》、GB2611《試驗機通用技術要求》以及GB/T16826《電液伺服試驗機》等，確保試驗數(shù)據(jù)的可比性。  

四、操作使用流程：從樣品制備到數(shù)據(jù)產(chǎn)出的全流程指南  

4.1試驗前準備階段  

試樣制備與檢查。巖石試樣需加工成標準圓柱體形狀，常用尺寸為Φ50mm×100mm（長徑比2:1），端面平整度誤差需控制在≤0.02mm以內(nèi)，軸線垂直度偏差≤0.5°，試樣表面應無明顯裂紋和缺陷。制備后需測定試樣含水率、密度等基礎參數(shù)；若為飽和試樣，需提前進行真空飽和處理，真空度保持在-0.09~-0.1MPa，飽和時間≥24h，確保試樣狀態(tài)均勻一致。  

儀器檢查與調(diào)試準備。先檢查設備外觀及連接部位，確認圍壓系統(tǒng)、軸壓系統(tǒng)、位移傳感器、壓力傳感器線路連接牢固，無松動和破損。檢查液壓油液位和純度，確保達到設備運行要求；對于水壓力圍壓系統(tǒng)，需排查管路密封性，避免試驗中發(fā)生滲漏。開啟設備總電源和計算機控制系統(tǒng)后，預熱15~30分鐘，使儀器各部件達到穩(wěn)定的工作溫度狀態(tài)。  

輔助工具準備。備好試樣套（熱縮管或橡膠套）、密封膠、凡士林、扳手、卡尺、紙巾等工具。試樣套需根據(jù)試樣尺寸選用，確保無破損、厚度均勻，避免圍壓施加時出現(xiàn)滲漏。  

4.2試樣安裝階段  

將試樣套小心套在巖石試樣外，兩端預留2~3mm空間，避免試樣受壓時試樣套被擠壓破損。在試樣兩端涂抹少量凡士林，放置于下承壓板中心位置，確保試樣軸線與承壓板中心線重合（對中偏差≤1mm），防止試驗中產(chǎn)生偏壓導致數(shù)據(jù)失真。緩慢升起上承壓板，直至與試樣上端輕輕接觸（接觸力≤50N），避免過度擠壓產(chǎn)生初始應力。若采用端面密封，需在試樣與承壓板接觸處涂抹密封膠，再套上試樣套兩端的密封圈，壓實密封部位，確保圍壓介質(zhì)無法滲透。將壓力室安裝到位，擰緊密封螺栓（注意擰緊力均勻，避免局部受力導致腔室變形），連接圍壓進油管，再次檢查密封部位是否完好。  

4.3參數(shù)設置與調(diào)試階段  

在計算機控制系統(tǒng)中輸入試驗參數(shù)：圍壓等級（根據(jù)試驗方案設定，如0MPa、5MPa、10MPa等）、加載方式（巖石試驗常用應變控制，加載速率0.001~0.005mm/min）、數(shù)據(jù)采集頻率（1~5Hz，確保捕捉試樣受力變形全過程數(shù)據(jù)）、試驗終止條件（如軸向應變達到20%、軸向應力下降至峰值應力的80%，或試樣發(fā)生明顯破壞）。對軸向壓力傳感器、圍壓傳感器、軸向位移傳感器進行零點校準，確保傳感器讀數(shù)準確。校準后進行預加載測試：施加極小圍壓（0.1~0.2MPa）和軸向力（0.5~1kN），觀察傳感器數(shù)據(jù)是否穩(wěn)定、管路是否滲漏。  

4.4試驗過程控制階段  

啟動圍壓加載系統(tǒng)，按設定速率緩慢施加圍壓，加載速率控制在0.05~0.1MPa/s，直至達到預設圍壓值，圍壓穩(wěn)定后（波動范圍≤±0.05MPa）方可進行下一步加載。圍壓穩(wěn)定后，啟動軸向加載系統(tǒng)，按設定的加載速率（應力控制或應變控制）施加軸向載荷，全程連續(xù)采集應力、應變、位移數(shù)據(jù)，實時觀察應力—應變曲線的變化趨勢。當試樣發(fā)生破壞或達到預設的終止條件時，系統(tǒng)自動停止加載，保存試驗數(shù)據(jù)。  

4.5試驗后處理  

卸載軸向載荷和圍壓，待壓力釋放后，拆下壓力室，小心取出試樣。觀察并記錄試樣的破壞形態(tài)（如單斜面剪切破壞、X形共軛剪切破壞、張拉破壞等），拍攝破壞照片作為試驗記錄的一部分。整理試驗數(shù)據(jù)，導出應力—應變曲線，計算所需的力學參數(shù)，生成試驗報告。  

五、維護保養(yǎng)體系：延長設備使用壽命的系統(tǒng)化保障  

吉林冠騰巖石三軸試驗機的維護保養(yǎng)工作應遵循“預防為主、定期執(zhí)行”的原則，從日常維護、定期保養(yǎng)和年度大修三個層面系統(tǒng)實施。  

5.1日常維護  

每日試驗開始前和結束后，應對設備進行例行檢查。保持設備各部位清潔，對沒有噴漆的表面擦干凈后，用紗布沾少量機油再擦一遍以防生銹，特別是在雨季更應注意保養(yǎng)。檢查主機和油源處是否有漏油現(xiàn)象，如發(fā)現(xiàn)漏油應及時更換密封圈或組合墊。檢查鉗口螺絲是否有松動，及時擰緊。試驗結束后，試臺上不得放置不用機件和用具，防止震動時墮落傷人和損壞儀器。  

5.2定期保養(yǎng)  

液壓系統(tǒng)是巖石三軸試驗機最關鍵的組成部分之一，其保養(yǎng)至關重要。長期頻繁使用可能導致油量減少或變質(zhì)，應根據(jù)使用情況每隔1~3個月檢查一次油量。設備停止運行15分鐘后，觀察控制柜左側(cè)油窗，如油面低于油窗則添加同種液壓油至油窗中間位置；如油已變質(zhì)，須換上新的液壓油。根據(jù)機器的使用情況及油的使用期限，定期更換吸油過濾器和濾芯。夏季建議使用68號耐磨液壓油，冬季建議使用46號耐磨液壓油，每年或累計工作2000小時后必須更換液壓油。定期清洗油路和油箱，防止污物進入伺服閥，延長伺服閥的使用壽命。  

運動部件需要定期潤滑。機主體底座上面的壓蓋上設有注油孔，通過該孔注油來潤滑螺母；下鉗口座升降用絲杠的螺紋，根據(jù)使用情況也應經(jīng)常潤滑。減速箱和油緩沖器用高速潤滑機油，每隔一年更換一次，更換時要清洗干凈。  

定期檢查控制器后面的連接線是否接觸良好，但必須注意：關閉控制器的電源后才能拔插連接線的接口，接口應對應好，否則會對試驗機造成損壞。  

5.3年度維保與校準  

每年或累計工作2000小時后，應委托專業(yè)服務提供商進行全面的維保和校準。維保內(nèi)容包括：設備運行狀況檢查、軟件版本檢查與升級、控制器運行狀況檢查、更換液壓油、清洗油路和油箱、更換運動部件潤滑脂、傳感器精度校準與穩(wěn)定性調(diào)節(jié)、電控設施檢修等。維保完成后，應對設備進行性能測試，確保各項功能正常。試驗機每年應周期性檢定一次。  

建議用戶根據(jù)試驗機的使用頻率、制造商的建議和歷史維護記錄，制定定期的維保計劃，明確維保的周期、項目和預期目標，確保維保工作有條不紊地進行。  

六、注意事項與安全規(guī)范：確保操作安全和數(shù)據(jù)可靠的關鍵準則  

6.1安全操作規(guī)范  

試驗機的夾具必須涂有防銹油，防止長期使用后銹蝕影響夾持效果。長期不使用時，應關閉控制器和電腦電源，長時間通電會縮短設備使用壽命。設備應設專人負責維護管理，并制定完整的操作規(guī)程和維保臺賬。在使用前，必須學習研究設備的使用手冊，熟悉各項功能和操作流程。  

6.2液壓系統(tǒng)安全  

液壓系統(tǒng)是整個設備的核心動力單元，其運行狀態(tài)直接關系到試驗的可靠性和安全性。應定期檢查液壓管路和密封件，發(fā)現(xiàn)漏油跡象立即停機檢修。加強液壓油的管理，防止水、雜質(zhì)混入導致油液變質(zhì)。定期更換油路濾芯，防止污物進入伺服閥引發(fā)故障。伺服閥的裝拆應在盡可能干凈的環(huán)境中進行，防止污染。長時間不做測試時，注意關閉主機電源。  

6.3操作過程中的注意事項  

試樣安裝時必須確保對中精度，偏壓過大不僅會導致數(shù)據(jù)失真，還可能對壓力室和傳感器造成損傷。施加圍壓和軸壓時應嚴格控制加載速率，避免突然加載導致試樣爆裂和壓力沖擊。試驗過程中應密切觀察系統(tǒng)運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常聲響、壓力波動劇烈或傳感器數(shù)據(jù)異常等情況，應立即停止試驗并排查原因。試樣破壞后的卸壓操作應按照先卸軸壓后卸圍壓的順序進行，避免因壓力釋放不當造成設備損傷。  

6.4電氣與軟件安全  

試驗機的電氣系統(tǒng)應保持良好接地，避免靜電或雷擊損壞控制電路。計算機控制系統(tǒng)應定期備份試驗數(shù)據(jù)和程序配置，防止數(shù)據(jù)丟失。軟件升級應在專業(yè)技術人員指導下進行，避免因版本不兼容導致系統(tǒng)故障。控制器后面的連接線接口必須對應正確，拔插前必須關閉控制器電源。  

6.5存放與環(huán)境要求  

試驗機應在合乎要求的倉庫或試驗室內(nèi)保管，不得露天放置。超過6個月仍不啟用，應開箱清洗，重新封涂防銹油。設備不用時最好用布罩好，以防灰塵進入，特別是齒桿導輪、油液等部位更應注意防塵。試驗環(huán)境應保持干燥、通風、無腐蝕性氣體，溫度應控制在設備允許的工作范圍內(nèi)。  

七、總結  

吉林冠騰巖石三軸試驗機以其全數(shù)字閉環(huán)控制技術、壓力自平衡壓力室設計和高剛度主機結構，為巖石力學試驗提供了高精度、高可靠性的技術平臺。該設備嚴格遵循GB/T50266等國家標準，廣泛應用于水利水電、隧道工程、礦山開采、石油化工及地震科學研究等領域，成為科研院所和高等院校巖土力學實驗室的主力設備之一。掌握規(guī)范的操作流程、科學的維護保養(yǎng)體系和嚴格的安全規(guī)范，是充分發(fā)揮設備性能、延長使用壽命、確保試驗數(shù)據(jù)準確可靠的關鍵。隨著巖石力學試驗向多場耦合、真三軸模擬和智能化方向發(fā)展，吉林冠騰巖石三軸試驗機也將在持續(xù)的技術迭代中不斷升級，為我國重大巖土工程的設計與安全評估提供更加堅實的技術支撐。